Бъдете сканиращ сонда микроскоп

Този урок изследва как тези микроскопи измерват повърхността на материалите на нано ниво. Учениците работят в екипи, за да научат за сканиращите микроскопи на сондата (SPM) и след това използват молив, за да усетят визуално формата на обекти, които не могат да видят. Въз основа на усещането за допир чрез молив учениците имитират функцията на SPM. Те рисуват това, което умът им е „видял“.

  • Научете за нанотехнологиите.
  • Научете за сканиращите сондални микроскопи.
  • Научете как инженерството може да помогне за решаване на предизвикателствата пред обществото. 

Възрастови нива: 8-12

Строителни материали (за всеки екип)

Необходими материали за класната стая

  • Кутия с елемент, прикрепен към дъното (линийка, хартиена чаша, тухла, парче плод)
  • Завържете или отрежете дупка в кутията, така че учениците да могат да поставят ръката си и молив вътре, без да виждат какво има в кутията. 

Необходими материали за екипи

  • Хартия
  • Писалка
  • Молив
  • Достъп до интернет, по избор

Design Challenge

Вие сте екип от инженери, на които е дадено предизвикателството да използва сонда за молив, за да „усети“ два различни обекта в кутия (без да вижда обектите). След това ще нарисувате това, което сте „видели“ и като екип ще се съгласите какъв може да бъде обектът в кутията. След това екипите разработват подробен чертеж, показващ обекта, за който сте се съгласили.

Критерии

  • Трябва да използвате молив, за да „усетите“ предметите.
  • Не трябва да може да вижда обектите (или превръзка на очите или дупка, изрязана в кутията, за да пасне на ръка и молив)

Ограничения

  • Използвайте само предоставените материали.

Необходимо време: Една до две 45 -минутни сесии.

  1. Разбийте класа на екипи от 2-4.
  2. Раздайте работния лист Be the Scanning Probe Microscope.
  3. Обсъдете темите в раздела „Основни понятия“. Помолете учениците да обмислят как инженерите измерват повърхността на нещата, които са твърде малки, за да се видят. Ако има достъп до интернет, споделете Виртуалния микроскоп (http://virtual.itg.uiuc.edu).
  4. Прегледайте процеса на инженерно проектиране, предизвикателството при проектирането, критериите, ограниченията и материалите.
  5. Предоставете на всеки екип своите материали.
  6. Обяснете, че учениците трябва да използват молив, за да „усетят“ два различни предмета в кутията (със завързани очи). След това те ще нарисуват това, което са „видели“ и като екип ще се споразумеят какъв може да бъде обектът в кутията. Накрая екипите разработват подробен чертеж, показващ обекта, за който са се договорили.
  7. Обявете времето, необходимо за завършване на дейността (препоръчително е 1 час).
  8. Използвайте таймер или онлайн хронометър (функция за обратно броене), за да сте сигурни, че сте навреме. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Давайте на учениците редовни „проверки на времето“, за да останат на задачата. Ако се борят, задавайте въпроси, които ще ги доведат до по -бързо решение.
  9. Кажете на учениците да направят следното:
    • Всеки ученик от екипа се редува с помощта на сонда за молив, за да определи формата за идентифициране на обекти в кутия. Може да имате или завързани очи, или да направите дупка в кутия, така че ръката ви и моливът да са вътре, без да виждате какво има в кутията.
    • Използвайте само върха на молива, за да разгледате съдържанието или повърхността на дъното на кутията.
    • В ума си следете височината на обектите, които усещате, тяхната форма и общия размер.
    • След това нарисувайте това, което „видяхте“ на лист хартия - може да помислите за изглед отгоре и отстрани, за да определите какво има в кутията.
    • Когато всеки ученик от екипа е извършил разследването, работете заедно и споделете вашите рисунки и мнения за това, което е в кутията. Направете консенсус като екип и разработете окончателен чертеж, който включва прогнозни измервания на обекта.
  10. Екипите представят вашите идеи, чертежи и измервания на класа и слушат презентациите на другите екипи. Те трябва да сравнят колко близо е бил екипът им при определяне на действителния размер и форма.
  11. Като клас обсъдете въпросите за размисъл на учениците.
  12. За повече съдържание по темата вижте раздела „Копаене по -дълбоко“.

Незадължителна разширена дейност

Накарайте учениците да отразяват онова, което „чувстват“ в кутията с една ръка, като рисуват едновременно върху хартия с другата ръка.

Отражение на ученика (инженерна тетрадка)

  1. Колко точен от гледна точка на формата беше вашият екип при идентифицирането на обекта? Какво открихте в кутията?
  2. Колко точен беше вашият екип при определяне на действителния размер на обекта в кутията?
  3. С какъв процент вашата прогноза за размер беше изключена от действителния размер на обекта в кутията?
  4. Смятате ли, че времето, което ви е необходимо, за да „видите“ вътре в кутията със сондата, е повлияло на точността на вашите открития?
  5. Мислихте ли, че работата като екип прави този проект по -лесен или по -труден? Защо?

Модификация на времето

Урокът може да бъде направен само за 1 клас за по -големите ученици. Въпреки това, за да помогнете на учениците да не се чувстват прибързани и да осигурят успех на учениците (особено за по -малките ученици), разделете урока на два периода, като дадете на учениците повече време за мозъчна атака, тестване на идеи и финализиране на техния дизайн. Проведете тестването и разбора през следващия учебен период.

Какво е нанотехнология?

Представете си, че можете да наблюдавате движението на червените кръвни клетки, докато се движи през вената ви. Какво би било да наблюдаваш натриевите и хлорните атоми, когато се приближат достатъчно, за да прехвърлят електрони и да образуват солен кристал или да наблюдават вибрациите на молекулите, когато температурата се покачва в тиган с вода? Поради инструментите или „обхвата“, които са разработени и подобрени през последните няколко десетилетия, можем да наблюдаваме ситуации като много от примерите в началото на този параграф. Тази способност за наблюдение, измерване и дори манипулиране на материали в молекулен или атомен мащаб се нарича нанотехнология или нанонаука. Ако имаме нано „нещо“, имаме една милиардна част от това нещо. Учените и инженерите прилагат нанопрефикса към много „неща“, включително дължина на метрите), секунди (време), литри (обем) и грамове (маса), за да представят разбираемо много малко количество. Най -често nano се прилага към скалата на дължината и ние измерваме и говорим за нанометри (nm). Отделните атоми са с диаметър по -малък от 1 nm, като отнема около 10 водородни атома подред, за да създаде линия с дължина 1 nm. Други атоми са по -големи от водорода, но все пак имат диаметри по -малки от нанометър. Типичният вирус е с диаметър около 100 nm, а бактерията е около 1000 nm от главата до опашката. Инструментите, които ни позволиха да наблюдаваме невидимия преди свят на наномащаба, са микроскопът с атомна сила и сканиращият електронен микроскоп.

Колко голям е малкият?

Може да бъде трудно да си представите колко малки са нещата на наноразмера. Следното упражнение може да ви помогне да си представите колко големи могат да бъдат малките! Помислете за топка за боулинг, топка за билярд, топка за тенис, топка за голф, мрамор и грах. Помислете за относителния размер на тези елементи.

Сканиращ електронен микроскоп

Сканиращият електронен микроскоп е специален вид електронен микроскоп, който създава изображения на повърхността на пробата, като я сканира с високоенергиен лъч от електрони в растерна схема на сканиране. При сканиране на растер, изображението се нарязва на поредица от (обикновено хоризонтални) ленти, известни като „линии за сканиране“. Електроните взаимодействат с атомите, съставляващи пробата, и произвеждат сигнали, които предоставят данни за формата, състава на повърхността и дори дали тя може да провежда електричество. Много изображения, направени със сканиращи електронни микроскопи, могат да бъдат разгледани на www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Микроскопи с атомна сила

Изображения в нано скалата

За да „видят“ как изглежда повърхността на материалите в наномащаба, инженерите са разработили редица устройства и системи, за да изследват как се държи повърхността на обект. Можете да видите много изображения в Dartmouth Electron Microscope Facility на www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Микроскопи с атомна сила

Микроскопът с атомна сила е специален тип сканиращ сондов микроскоп (SPM), който събира информация чрез използване на сонда за докосване или придвижване върху повърхността на обект. Разделителната способност е много висока, на част от нанометър. AFM е изобретен през 1982 г. в IBM и първият търговски наличен микроскоп с атомна сила е представен през 1989 г. AFM остава един от най -важните инструменти за измерване и изобразяване на всичко в наноразмер. Той може доста точно да развие триизмерна картина или топография на извадка и има много приложения. Ако можете да си представите да затворите очи и да използвате върха на молив, за да разберете какъв обект е в кутия, можете да си представите как работи този тип микроскоп! Едно от предимствата на микроскопа за атомна сила е, че не изисква специална среда и работи добре в средна среда или дори в течност. Това прави възможно изследването на биологията на ниво макромолекули или дори преглед на живите организми.

Интернет връзки

Препоръчителна четене

  • Микроскопия за сканираща сонда: Лабораторията на върха (Разширени текстове във физиката) (ISBN: 978-3642077371)
  • Микроскопия за сканираща сонда (ISBN: 978-3662452394)

Писателска дейност

Напишете есе или параграф за това как напредъкът в областта на нанотехнологиите е повлиял на областта на здравеопазването и медицината.

Привеждане в съответствие с учебните програми

Забележка: Плановете за уроци от тази поредица са съобразени с един или повече от следните набори от стандарти:

Национални стандарти за научно образование К-4 клас (на възраст 4-9)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

  • Способности, необходими за извършване на научни изследвания
  • Разбиране за научните изследвания

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

  • Свойства на предмети и материали
  • Положение и движение на обекти

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

  • Способности за технологичен дизайн

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

  • Наука и технологии в местните предизвикателства

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

  • Науката като човешко начинание

Национални стандарти за научно образование 5-8 клас (на възраст 10-14)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

  • Способности, необходими за извършване на научни изследвания
  • Разбиране за научното изследване

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки

В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за

  • Свойства и промени на свойствата в материята

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии

В резултат на дейности в 5-8 клас всички ученици трябва да се развиват

  • Способности за технологичен дизайн
  • Разбиране за науката и технологиите

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

  • Наука и технологии в обществото 

Национални стандарти за научно образование 5-8 клас (на възраст 10-14)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

  • Науката като човешко начинание
  • Същност на науката

Национални стандарти за научно образование 9-12 клас (на възраст 14-18)

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ А: Науката като запитване

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

  • Способности, необходими за извършване на научни изследвания
  • Разбиране за научното изследване

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Б: Физически науки

В резултат на своите дейности всички ученици трябва да развият разбиране за

  • Структура и свойства на материята

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ Д: Наука и технологии

В резултат на дейностите всички ученици трябва да се развиват

  • Способности за технологичен дизайн
  • Разбиране за науката и технологиите

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ F: Наука в лична и социална перспектива

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

  • Наука и технологии в местни, национални и глобални предизвикателства

СЪДЪРЖАНИЕ СТАНДАРТ G: История и природа на науката

В резултат на дейностите всички ученици трябва да развият разбиране за

  • Науката като човешко начинание
  • Същност на научното познание
  • Исторически перспективи

 Научни стандарти от следващо поколение 2-5 степени (на възраст 7-11)

Учениците, които демонстрират разбиране, могат:

Материята и нейните взаимодействия

  • 5-PS1-1. Разработете модел, който да опише, че материята е направена от частици, твърде малки, за да се видят.
  • 5-PS1-3. Направете наблюдения и измервания, за да идентифицирате материали въз основа на техните свойства. 

Стандарти за технологична грамотност - всички възрасти 

Природата на технологиите

  • Стандарт 1: Студентите ще развият разбиране за характеристиките и обхвата на технологията.
  • Стандарт 2: Студентите ще развият разбиране за основните концепции на технологията.
  • Стандарт 3: Студентите ще развият разбиране за връзките между технологиите и връзките между технологиите и други области на обучение. 

Технология и общество

  • Стандарт 4: Студентите ще развият разбиране за културните, социалните, икономическите и политическите ефекти на технологиите.
  • Стандарт 6: Учениците ще развият разбиране за ролята на обществото в развитието и използването на технологиите.
  • Стандарт 7: Учениците ще развият разбиране за влиянието на технологиите върху историята.

Способности за един технологичен свят

Стандарт 13: Учениците ще развият способности за оценка на въздействието на продуктите и системите.

Опитайте се да бъдете сканиращ сондален микроскоп!

Фаза на изследване

Прочетете материалите, предоставени ви от вашия учител. Ако имате достъп до интернет, вижте и урока на този уебсайт: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Той ще илюстрира как работят сканиращите микроскопи на сондата и ще ви помогне да разберете как ще изпълните подобна задача чрез тази дейност.

Опитай го!

Всеки ученик от вашия екип ще се редува с помощта на сонда за молив, за да определи формата или идентифицирането на обект в кутия. Може да имате или завързани очи, или да направите дупка в кутия, така че ръката ви и моливът да са вътре, без да виждате какво има в кутията.

Използвайте само върха на молива, за да разгледате съдържанието или повърхността на дъното на кутията. В ума си следете височината на обектите, които усещате, тяхната форма и общия размер.

След това нарисувайте това, което „видяхте“ на лист хартия - може да помислите за изглед отгоре и отстрани, за да определите какво има в кутията.

Когато всеки ученик от екипа е извършил разследването, работете заедно и споделете вашите рисунки и мнения за това, което е в кутията. Направете консенсус като екип и разработете окончателен чертеж, който включва прогнозни измервания на обекта

Фаза на представяне и размисъл

Представете вашите идеи, чертежи и измервания на класа и слушайте презентациите на другите екипи. Вижте колко тесен е бил вашият екип или другите екипи при определяне на действителния размер и форма. След това попълнете листа за отражение.

Размисъл

Попълнете въпросите за размисъл по -долу:

  1. Колко точен от гледна точка на формата беше вашият екип при идентифицирането на обекта? Какво открихте в кутията?

 

 

 

 

 

  1. Колко точен беше вашият екип при определяне на действителния размер на обекта в кутията?

 

 

 

 

 

  1. С какъв процент вашата прогноза за размер беше изключена от действителния размер на обекта в кутията?

 

 

 

 

 

  1. Смятате ли, че времето, което ви е необходимо, за да „видите“ вътре в кутията със сондата, е повлияло на точността на вашите открития?

 

 

 

 

 

  1. Мислихте ли, че работата като екип прави този проект по -лесен или по -труден? Защо?

 

 

Превод на план за уроци

Студентски сертификат за завършване, който може да се изтегли